聲強測試技術及降噪處理

宋曉

【摘 要】聲強是矢量，克服了傳統的聲壓測量法不能確定聲源的方向和位置，對測試條件要求嚴的缺點，可利用被丟失的聲壓相位信息，全面描述輻射聲場的聲學特性，便于聲源定位。同時，還可以排除噪聲源近場效應產生的干擾，不受測量環境的限制進行現場測量。因此，聲強測量在工程中得到了廣泛的應用。本文的主要工作就是根據聲強測試原理編寫出聲強測試程序，并在聲強計算的同時進行信號降噪處理，將聲強測試理論與工程實踐相結合。

【關鍵詞】聲強；降噪；測試

中圖分類號： TK417.125 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.015

【Abstract】The sound intensity is a vector， which overcomes shortcomings of inability to determine the direction of the sound source and strict requirements on the test conditions by traditional sound pressure measurement. It can use the lost sound pressure phase information， fully describe the acoustic properties of the radiation sound field and locate the sound source. At the same time， the interference generated by the near-field effect of the noise source can also be eliminated， and the measurement environment is not limited. Therefore， sound intensity measurement has been widely used in engineering. The main work of this paper is to make a sound intensity test program based on the sound intensity test principle， and to perform signal noise reduction processing while calculating， this combines sound intensity test theory with engineering practice.

【Key words】Sound intensity；Noise reduction；Measurement

聲強是衡量聲場中的聲能流。更準確地說，聲強是一個矢量，定義為通過與能流垂直方向上的單位面積的聲能量的時間平均值。聲強表示為每單位面積單位時間的能量（W/m2）[1]。聲壓和質點速度的乘積是一個矢量，表示單位面積瞬時聲能流量的大小和方向，故瞬時聲強可寫成

由于聲強[2]是矢量，測量環境對它影響不大，可以更好的進行聲源定位。相反，測量聲場的聲壓來分析聲源，對聲場依賴性很強，對測試條件要求很高。在工程測量中，聲強測量越來越發揮出了重要作用，已經成為噪聲測量的一個重要手段。

1 聲強測量基本原理

由聲強[3]的定義可知，聲強測量主要是測聲壓和粒子速度。其方法可以分為兩類：一類是將傳聲器和直接測點速度的傳感器相結合，可簡稱為p-u法。另一類是雙傳聲器法，簡稱為p-p法。[4]

1.1 p-u法

一個p-u聲強測量系統結合了兩個根本不同類型的傳感器。聲強可以簡單看作瞬時聲壓和粒子速度信號的乘積的時間平均值。聲壓的測量比較容易，在探頭中心裝有麥克風即可測出聲壓。粒子速度的測量需要兩對超聲波發射器，可同時發射兩個平行的而方向相反的超聲波束，并在等距離處有各自的接收器。在同向上傳來音頻信號時，兩個接收器所接收到的信號就存在相位差，這樣就通過相位差把質點速度測出。質點速度的具體計算如下所示。

設超聲波的發射器和接收器之間的距離是d，則在沒有聲波時超聲波由發射到接受所經歷的時間為t0=d/c。若存在聲波，其質點速度為u，則兩個超聲波束所歷的時間各自變成t1=d/（c+u）和t2=d/（c-u），其相位差為

2 聲強的頻域分析法

我們通常采集的都是聲壓的瞬時信號，而對于控制分析中，平頻域中的譜分析往往比時域分析重要，所以我們就需要聲強測量儀器來將測到的時域信號轉變為頻域中的聲強分布。

3 聲強測試系統

如今，聲強測量已在工程中廣泛應用，各種聲學軟件都帶有聲強測試模塊，才有商業軟件可以快速方便得實現聲強測量，但無法深入理解聲強測量技術的原理，本文編寫一套聲強測試系統，該套軟件系統模塊清晰，備注簡明，有著很好的開放性，可隨時對其修改和完善。總體基于信號采集理論，在采集過程中實時分析計算，每一時刻都將最新的數據展示在用戶面前，同時導出模塊還可以進行復雜的后續分析，使軟件的使用功能進一步增強。

由于該套只有在和硬件平臺相結合才能發揮作用，要想驗證該聲強軟件編寫的正確性，需要進行仿真驗證，可以通過修改軟件模擬了采樣，并驗證了該系統的精確度，探究了其工程意義。

基于平面波的理想聲場進行驗證該程序，模擬1000Hz聲壓幅值為1Pa的平面波。基于聲學公式可求得精確解：

PA=PB=1Pa（90.9677dB），I=90.67525dB

根據該軟件求得的解：

PA=PB=90.9691dB，I=90.5165dB

可見，該程序可以精確的模擬平面波聲場，說明該仿真程序具有較高的精度。

4 基于相關函數的噪聲去除

實際的聲場往往包含復雜的噪聲信號，所以在采集前進行去噪處理尤為重用，本章就介紹了一種基于自相關函數的去噪方法并進行了仿真驗證。

4.1 去噪算法設計

從上面分析我們可以看出，只要對周期信號取自相關，得到函數也具有周期性，且與原信號周期相同。這樣就可以提取包含噪聲信號的有用信號頻率。

4.2 聲強去噪系統設計

聲強去噪系統加入了有用信號的頻率識別和窄帶濾波去噪：

定義一個1Pa的1000Hz單頻信號疊加一個白噪聲信號，通過該軟件可以精確識別出頻率為999.955Hz，其中去噪后聲強為91.1341dB，和理論解90.67525dB相比，較為準確。

因為該信號采樣為模擬，沒有考慮到窗函數和泄露問題，但保留了周期的峰峰值，不是標準的周期信號，但不影響識別。

5 結論

本文從最基本的聲強理論入手來探討聲強測量的本質含義，詳細介紹如何編寫聲強測試程序，將理論上升為實踐，來說明該方法的工程可行性。最后又介紹了一個簡單的去噪技術，該技術可以在聲強計算前進行噪聲去除，該部分是聲強測試工程實際相結合的重要一環。

【參考文獻】

[1]劉起元，許國賢，胡長戰等.聲強測量技術在汽車噪聲控制中的應用[J].汽車工程，1992，14：86～93.

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎[M].第2版，南京：南京大學出版社，2012.

[3]馬大猷，沈濠.聲學手冊[M].北京：科學出版社，1983.

[4]蔣孝煜，連小珉.聲強技術及其在汽車工程中的應用[M].北京：清華大學出版社，2001.